了解CAS(Compare-And-Swap)

CAS即对比交换，它在保证数据原子性的前提下尽可能的减少了锁的使用，很多编程语言或者系统实现上都大量的使用了CAS。

JAVA中CAS的实现

JAVA中的cas主要使用的是Unsafe方法，Unsafe的CAS操作主要是基于硬件平台的汇编指令，目前的处理器基本都支持CAS，只不过不同的厂家的实现不一样罢了。

Unsafe提供了三个方法用于CAS操作，分别是

public final native boolean compareAndSwapObject(Object value, long valueOffset, Object expect, Object update);

public final native boolean compareAndSwapInt(Object value, long valueOffset, int expect, int update);

public final native boolean compareAndSwapLong(Object value, long valueOffset, long expect, long update);

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value 表示 需要操作的对象

valueOffset 表示 对象(value)的地址的偏移量(通过Unsafe.objectFieldOffset(Field valueField)获取)

expect 表示更新时value的期待值

update 表示将要更新的值

具体过程为每次在执行CAS操作时，线程会根据valueOffset去内存中获取当前值去跟expect的值做对比如果一致则修改并返回true，如果不一致说明有别的线程也在修改此对象的值，则返回false

Unsafe类中compareAndSwapInt的具体实现：

UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x))

UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt");

oop p = JNIHandles::resolve(obj);

jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);

return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;

UNSAFE_END

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ABA问题

线程1准备用CAS修改变量值A，在此之前，其它线程将变量的值由A替换为B，又由B替换为A，然后线程1执行CAS时发现变量的值仍然为A，所以CAS成功。但实际上这时的现场已经和最初不同了。

aba.png

例子

public static AtomicInteger a = new AtomicInteger(1);

public static void main(String[] args){

Thread main = new Thread(() -> {

System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() +",初始值 = " + a); //定义变量 a = 1

try {

Thread.sleep(1000); //等待1秒 ，以便让干扰线程执行

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

boolean isCASSuccess = a.compareAndSet(1,2); // CAS操作

System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() +",CAS操作结果: " + isCASSuccess);

},"主操作线程");

Thread other = new Thread(() -> {

a.incrementAndGet(); // a 加 1, a + 1 = 1 + 1 = 2

System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() +",【increment】 ,值 = "+ a);

a.decrementAndGet(); // a 减 1, a - 1 = 2 - 1 = 1

System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() +",【decrement】 ,值 = "+ a);

},"干扰线程");

main.start();

other.start();

}

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// 输出

> 操作线程Thread[主操作线程,5,main],初始值 = 1

> 操作线程Thread[干扰线程,5,main],【increment】 ,值 = 2

> 操作线程Thread[干扰线程,5,main],【decrement】 ,值 = 1

> 操作线程Thread[主操作线程,5,main],CAS操作结果: true

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解决ABA方案

思路

解决ABA最简单的方案就是给值加一个修改版本号，每次值变化，都会修改它版本号，CAS操作时都对比此版本号。

aba_2.png

JAVA中ABA中解决方案(AtomicStampedReference)

AtomicStampedReference主要维护包含一个对象引用以及一个可以自动更新的整数"stamp"的pair对象来解决ABA问题。

//关键代码

public class AtomicStampedReference {

private static class Pair {

final T reference; //维护对象引用

final int stamp; //用于标志版本

private Pair(T reference, int stamp) {

this.reference = reference;

this.stamp = stamp;

}

static Pair of(T reference, int stamp) {

return new Pair(reference, stamp);

}

}

private volatile Pair pair;

....

/**

* expectedReference ：更新之前的原始值

* newReference : 将要更新的新值

* expectedStamp : 期待更新的标志版本

* newStamp : 将要更新的标志版本

*/

public boolean compareAndSet(V expectedReference,

V newReference,

int expectedStamp,

int newStamp) {

Pair current = pair; //获取当前pair

return

expectedReference == current.reference && //原始值等于当前pair的值引用，说明值未变化

expectedStamp == current.stamp && // 原始标记版本等于当前pair的标记版本，说明标记未变化

((newReference == current.reference &&

newStamp == current.stamp) || // 将要更新的值和标记都没有变化

casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp))); // cas 更新pair

}

}

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例子

private static AtomicStampedReference atomicStampedRef =

new AtomicStampedReference<>(1, 0);

public static void main(String[] args){

Thread main = new Thread(() -> {

System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() +",初始值 a = " + atomicStampedRef.getReference());

int stamp = atomicStampedRef.getStamp(); //获取当前标识别

try {

Thread.sleep(1000); //等待1秒 ，以便让干扰线程执行

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

boolean isCASSuccess = atomicStampedRef.compareAndSet(1,2,stamp,stamp +1); //此时expectedReference未发生改变，但是stamp已经被修改了,所以CAS失败

System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() +",CAS操作结果: " + isCASSuccess);

},"主操作线程");

Thread other = new Thread(() -> {

atomicStampedRef.compareAndSet(1,2,atomicStampedRef.getStamp(),atomicStampedRef.getStamp() +1);

System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() +",【increment】 ,值 = "+ atomicStampedRef.getReference());

atomicStampedRef.compareAndSet(2,1,atomicStampedRef.getStamp(),atomicStampedRef.getStamp() +1);

System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() +",【decrement】 ,值 = "+ atomicStampedRef.getReference());

},"干扰线程");

main.start();

other.start();

}

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// 输出

> 操作线程Thread[干扰线程,5,main],【increment】 ,值 = 2

> 操作线程Thread[干扰线程,5,main],【decrement】 ,值 = 1

> 操作线程Thread[主操作线程,5,main],初始值 a = 1

> 操作线程Thread[主操作线程,5,main],CAS操作结果: true

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